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摘要：大跨越钢管塔是特高压输电线路的关键部分，一旦发生事故，不但会造成巨大的经济损失，还会产生一定的社会影响。因此，确保其安全性尤为重要。采用大型有限元分析软件ABAQUS，对某1000kV特高压交流工程大跨越钢管塔进行分析，研究了杆端弯矩对基础反力和杆件应力的影响，为今后大跨越钢管塔的设计提供依据。
关键词：大跨越；钢管塔；弯矩效应；基础作用力；杆件应力
1 引言
随着国民经济的快速增长，目前国家正处于特高压输电线路的快速发展中。采用特高压输电时，输电线路的工程规模趋于大型化，输电塔结构形式复杂多变，塔高大幅增加，工程造价指标大大提高。特高压输电线路有时需要跨过大江、大河，此时需要架设大跨越输电塔。大跨越塔是特高压输电线路的关键部分，一旦发生事故，不但会造成巨大的经济损失，还会产生一定的社会影响[1-2]。因此，确保其安全性尤为重要。
2 杆塔计算模型的假设
目前，国内进行铁塔设计时一般采用TTA或者道亨软件进行计算，这些软件采用的是铰接空间桁架计算理论，即架设节点约束为铰接，杆件只承受轴力不承受弯矩，忽略弯矩的影响。计算模型单元采用桁架单元，每个节点具有三个平动自由度。对于角钢塔而言，各个构件采用螺栓连接，节点刚度较小，其构件除拉、压轴力之外，其他内力影响几乎可以忽略，因此分析模型与实际情况较为一致。然而，对于大跨越钢管塔而言，尽管钢管塔也是三维空间塔架结构，但相比角钢塔而言，钢管构件规格大、主材法兰连接、节点板较厚及连接螺栓多等特点使得全塔构件焊接的连续性、构件接头及节点板刚性都强于角钢塔，杆件端部受到很大的嵌固作用，限制杆件间夹角的变化，造成杆件弯曲，由此产生的杆弯矩具有二阶效应，称为次弯矩。理论上而言，钢管塔的计算模型单元更接近于梁单元，每个节点包含三个平动自由度和三个转动自由度。为了确保大跨越输电塔的安全性，进行设计时需考虑杆端弯矩的影响［3-6］。
3 大跨越钢管塔弯矩效应分析
3.1 分析模型的建立
采用的分析模型来源于某1000kV交流特高压输电线路工程，该线路为同塔双回路架设。该工程包含一个黄河大跨越段，长度为2×3.4公里，跨河方式采用耐-直-直-直-耐，跨越段共有3基双回路直线塔（其中1基为SKT1，2基为SKT2）和4基单回路锚塔（均为MT1）。直线塔SKT1和SKT2均为钢管塔，呼高分别为71m和135m，总高分别为140m和204m，塔身变坡下部塔身坡度均为12°。锚塔MT1为角钢和钢管混合塔，呼高为48m，总高为81m。本文以高度最高的直线跨越塔SKT2为分析模型进行钢管塔的弯矩效应分析。
采用大型有限元分析软件ABAQUS软件进行分析，所有构件均采用梁单元进行模拟，每个节点包含3个平动自由度和3个转动自由度。按照杆塔设计规范进行荷载组合，计算导（地）线节点荷载，将计算出的导（地）线节点荷载（考虑了结构重要性系数的数值）、道亨软件计算出的塔身风荷载和竖向荷载施加到塔体上，确保与采用道亨软件施加的荷载一致，腿部（A、B、C和D）采用固定端约束。
3.2 弯矩效应对基础作用力的影响分析
对于大跨越直线铁塔而言，大风工况为控制工况。对于大跨越直线铁塔而言，60°大风控制了腿部主材等很多构件的选材，控制了基础作用力的大小。这里对铁塔进行非线性分析时，仅考虑60°大风工况。大型有限元软件和道亨软件计算得到的基础作用力如表3.2-1～表3.2-4所示。
由分析结果可以看出，A腿为压腿，D腿为拉腿。考虑弯矩效应后，基础最大下压力增大了2.53%，最大下压力对应的两个水平方向水平力分别增大3.49%和5.35%。最大上拔力增大了0.89%，最大上拔力对应的两个方向水平力分别增加3.76%和5.81%。对于B腿而言，考虑弯矩效应后，竖向力减小了6.99%，两个方向的水平力分别减小了7.55%和59.17%。对于C腿而言，竖向力增加了3.45%，两个方向的水平力分别增加了1.06%和11.90%。采用道亨软件进行分析时，由于采用的单元类型为桁架单元，基底弯矩为0。采用ABAQUS软件时，采用的单元类型为梁单元，存在基底弯矩。基底弯矩在数值上比水平力低一个数量级，一般不影响基础设计。
进行基础设计时，基础作用力采用的是A腿的下压力和D腿的上拔力。一般而言，最大下压力控制基础的尺寸。对于本工程而言，A腿的基础作用力控制基础的工程规模。根据相应的基础设计规范，最大下压力控制基础的桩长和桩径的大小，对应的水平力控制桩径的大小。因此，考虑弯矩效应后，基础的工程量有一定的增加。如果采用桁架单元分析杆塔，进行基础设计时宜留5%的余度。
3.3 弯矩效应对构件应力的影响分析
采用道亨软件进行内力计算时，可得到各个构件的轴力，将轴力除以截面面积可得到截面的正应力，忽略了弯矩的影响，在一些情况下会影响结构安全。采用ABAQUS软件进行计算时，每个截面上有轴力和弯矩，两者均贡献一部分正应力。结构的应力云图如图2所示。图中A1、A2、A3和A4分别代表腿部压应力最大的主材、拉应力最大的主材、压应力最大的腿部斜材和拉应力最大的腿部斜材，B1、B2、B3和B4分别代表腿部主材上部节间压应力最大的主材、拉应力最大的主材、压应力最大的斜材和拉应力最大的斜材。C1和C2代表变坡下部节间压应力最大主材和拉应力最大主材，D1和D2代表变坡上部节间压应力最大主材和拉应力最大主材。E1和E2代表下横担压应力最大主材和拉应力最大主材，F1、F2代表中横担压应力最大主材和拉应力最大主材，G1和G2代表上横担和地线支架压应力最大主材和拉应力最大主材。
图3.3-1 SKT2大跨越直线塔应力云图
弯矩对构件应力的影响如表8所示。由分析结果可以看出，考虑弯矩效应后，腿部主材的最大压应力增大了6.72%，最大拉应力增大了9.77%，腿部斜材的最大压应力增大16.0%，最大拉应力减小了2.9%；塔腿上面半个节间主材的最大压应力和拉应力变化不明显，均在5%以内，斜材的最大压应力变化极为明显，达到了31.8%，斜材的最大拉应力变化不明显，在5%以内；变坡以下节间主材的最大压应力提高了6.25%，最大拉应力提高了12.3%；变坡以上节间主材的最大压应力提高了17.9%，最大拉应力提高了18.0%；下横担和中横担主材的最大应力均减小，设计中可不予考虑；对于上横担和地线支架而言，考虑弯矩效应后，主材的最大压应力提高了17.5%，最大拉应力提高了11.5%。
可以看出，对于近似垂直于塔身主材的横担主材，考虑弯矩效应后，最大应力未产生明显变化，且最大应力减小，设计中可以不考虑弯矩效应。对于本塔而言，变坡位置和上横担与塔身连接的横担主材受弯矩影响极为明显，设计中需特别注意。这两个位置的共同点为，主材的轴线方向发生了变化。因此，进行杆塔设计时，坡度发生变化的部位需特别注意，应进行弯矩效应分析或者留有足够余度。对于塔腿主材，弯矩对主材最大应力的影响也较为明显。对于塔身斜材而言，弯矩对构件的最大应力影响很明显。然而，钢管塔设计中需要考虑构件的微风振动效应，构件的长细比控制地较为严格。因此，塔身斜材的选材一般由长细比控制，不由内力控制。
4 结论
通过运用有限元分析软件对大跨越直线塔进行分析，研究了弯矩对大跨越铁塔基础作用力及其杆件应力的影响，得到以下结论：
（1）考虑弯矩效应后，基础最大下压力和最大上拔力略微增加，幅度在5%以内，起控制作用的水平力最多增加了5.35%，进行铁塔基础设计时需留有5%的余度来确保基础的安全.
（2）对于近似垂直于塔身主材的横担主材，考虑弯矩效应后，最大应力未产生明显变化，且最大应力减小，设计中可以不考虑弯矩效应。
（3）对于坡度发生变化的主材，弯矩效应极为明显，考虑弯矩效应后，主材最大应力增大10%-20%，进行杆塔设计时需特别注意。
（4）对于腿部主材而言，弯矩效应较为明显，考虑弯矩效应后，腿部主材的最大压应力和最大拉应力分别增大了6.72%和9.77%，进行杆塔设计时需特别注意。
为确保大跨越工程的安全性，进行大跨越杆塔和基础设计时应考虑弯矩效应。
参考文献
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论文作者:王华娟,李靖宇
论文发表刊物:《电力设备》2016年第4期
论文发表时间:2016/6/6
标签：弯矩论文; 应力论文; 主材论文; 效应论文; 钢管论文; 基础论文; 构件论文; 《电力设备》2016年第4期论文;